Des ingénieurs nord-américains ont mis au point un sable qui s’écoule dans le sens opposé à la force de gravité : il monte les pentes, le long des murs et des escaliers. Cela mènera à un large éventail d’applications, allant de la santé au transport de matériaux et à l’agriculture.
Des ingénieurs de l’Université de Lehigh aux États-Unis ont découvert que le sable peut défier la gravité et se déplacer dans la direction opposée à la force qui le pousse vers le bas, c’est-à-dire qu’il peut monter vers le haut. Les résultats de cette étude sont publiés dans la revue Nature Communications.
Les chercheurs ont utilisé des particules polymères recouvertes d’oxyde de fer : ce sont des micro-robots qui agissent comme des micro-rouleaux : ils ont des propriétés ferromagnétiques et peuvent tourner lorsqu’on leur applique un champ magnétique.
Même en bas des escaliers
En plaçant un aimant sous un pot contenant ces particules, ils ont observé que le sable commençait à s’amasser vers le haut. Ils coulent vers le haut, le long des murs et de haut en bas des « escaliers » que le polymère a formés (voir deux clips GIF1 et GIF2)
« Après avoir utilisé des équations décrivant le flux de matériaux granulaires, nous avons pu montrer de manière concluante que ces particules se déplaçaient comme un matériau granulaire, sauf qu’elles s’écoulaient vers le haut », expliquent les chercheurs dans un article. libérer.
Les ingénieurs affirment que cette découverte très inhabituelle pourrait ouvrir la voie à de nombreuses autres lignes de recherche et conduire à un large éventail d’applications, allant de la santé au transport de matériaux et à l’agriculture.
Par hasard
L’auteur principal de l’article, Samuel Wilson-Whitfordexplique avoir capturé cet étrange mouvement granulaire par pur hasard, au cours de ses recherches sur la microencapsulation.
Lorsqu’il a fait tourner un aimant sous un pot de particules micro-roulantes recouvertes d’oxyde de fer, les grains ont commencé à s’accumuler.
Wilson-Whitford et son équipe ont donc commencé à étudier comment le matériau réagissait à l’aimant dans différentes conditions.
Lorsqu’ils versaient les micro-rouleaux sans les activer avec l’aimant, ils coulaient vers le bas. Mais lorsqu’ils ont appliqué les aimants, chaque particule a commencé à tourner, créant des doublets temporaires qui se sont rapidement formés et se sont brisés.
Inhabituel
Le résultat est une cohésion qui génère un angle de repos négatif dû à un coefficient de frottement négatif.
« Jusqu’à présent, personne n’aurait utilisé ces termes », affirment les ingénieurs. « Ils n’existaient pas. Mais pour comprendre comment ces grains s’écoulent vers le haut, nous avons calculé quelles sont les contraintes qui les font se déplacer dans cette direction. Si vous avez un angle de repos négatif, alors vous devez avoir une cohésion pour donner un coefficient de repos négatif. friction. Ces équations d’écoulement granulaire n’ont jamais été dérivées pour prendre en compte ces choses, mais après l’avoir calculée, ce qui est ressorti est un coefficient de friction apparent qui est négatif.
Applications multiples
Cette découverte pourrait avoir des implications pour la conception et la fabrication de matériaux intelligents capables de modifier leur forme et leur comportement en fonction des conditions extérieures, selon ces ingénieurs.
Par exemple, des capsules ou des implants médicaux pourraient être créés pour libérer des médicaments ou des substances actives lorsqu’un champ magnétique leur est appliqué.
Les matériaux granulaires pourraient également être transportés le long de surfaces inclinées ou verticales sans nécessiter d’énergie ou de dispositifs mécaniques supplémentaires.
Juste le commencement
De plus, des systèmes agricoles ou écologiques pourraient être développés tirant parti des propriétés magnétiques de certains sols ou sédiments pour améliorer leur qualité ou prévenir leur érosion.
Les chercheurs espèrent continuer à explorer les possibilités offertes par cette découverte et élargir leurs connaissances sur le comportement des matériaux granulaires sous différents stimuli.
Ils considèrent que ce n’est que le début d’une nouvelle façon de comprendre et de manipuler le sable.
Référence
Les microrouleaux s’écoulent vers le haut sous forme de média granulaire. Samuel R. Wilson-Whitford et coll. Nature Communications, Volume 14, Numéro d’article : 5829 (2023). JE :https://doi.org/10.1038/s41467-023-41327-1